[發明專利]模擬工程巖體層裂化失穩過程的落錘沖擊試驗系統與方法

有效

• 申請號: 202010103476.3
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111157372B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 王宇;任俊宇;胡志強;童永杰;易雪楓;高少華
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種模擬工程巖體層裂化失穩過程的落錘沖擊試驗系統與方法，屬于巖體力學特性測試技術領域。該系統包括落錘加載裝置、應力轉化裝置、振動模型實驗裝置、加速度收集系統、圖像收集系統和數字圖像處理系統。落錘加載裝置包括擺球、擺球桿、刻度盤、指針和擺錘支架，應力轉化裝置包括鋼質分配梁、緩沖氣囊和托板，振動模型實驗裝置包括外框架、內框架、墊片、螺栓、萬向輪、彈簧、調整支座、絲杠、滑塊、角度調整器和試樣托板。該系統對試件重復加載研究反復荷載作用下層狀試塊的裂化失穩過程，通過改變擺球桿的角度和擺球大小來調節施加應力大小。能夠較為準確地描述在循環加載過程中試件變形和破壞的演化過程，形成應變數據庫。

技術領域

本發明涉及巖體力學特性測試技術領域，特別是指一種模擬工程巖體層裂化失穩過程的落錘沖擊試驗系統與方法。

背景技術

露天采礦工程，隨著露天采礦深度越來越大，邊坡穩定對礦山的經濟效應以及安全生產有直接的關系。露天礦邊坡是露天采礦活動所形成的，影響露天礦邊坡穩定性的因素很多。其中爆破振動是影響露天邊坡破壞失穩的一個重要外部因素，長期以來一直是工程技術人員研究的重要課題。露天采場邊坡穩定性受到各種因素的影響，如邊坡本身的巖性、結構面特征、巖石的內聚力、內摩擦角、巖石的抗壓強度、這些是決定露天礦邊坡穩定的內部條件。其次是露天礦的臺階高度、最終邊坡角等，爆破振動作為一種外加的動荷載對邊坡穩定也有很大影響，如爆源位置、一次起爆藥量的大小、起爆方式等是邊坡破壞失穩的一些重要外部因素。

在露天礦生產期間，由于爆源位置、藥量大小、起爆方式等變化，可能導致露天采場邊坡局部或整體破壞，給礦山工程帶來安全威脅。爆破作為露天礦山的主要開挖手段，卻對邊坡的穩定起著負面影響，在爆炸沖擊和爆轟氣體的楔入作用下，往往造成臨近爆區的邊坡巖體松裂或損傷，尤其是在邊坡巖體的順層軟弱層理面較發育時，不可避免地引起一定范圍內的巖體層裂，從而導致一定范圍內的層理面內摩擦角減小和內聚力降低，因而極易引起順層滑坡，并造成嚴重的人員傷亡和財產損失。如何根據爆破條件和巖體條件正確確定層裂區的幾何尺寸及邊坡巖體不同位置處的層理面強度參數，不僅是進行邊坡穩定性分析、完善邊坡設計以及提出邊坡加固措施和維護方法的前提，而且也是邊坡工程中一個亟待研究的突出問題。

層裂即巖體沿層理面破裂。露天礦山邊坡絕大多數為層狀巖體，層狀巖體的層面或軟弱夾層是巖體的主要弱面,在爆破作用下容易產生層裂，從而減小層面或軟弱夾層的強度，使邊坡巖體的穩定性降低。含有順傾軟弱夾層時，穿過夾層的炮孔內炸藥爆炸時,高壓爆轟氣體產物推移和壓密緊鄰炮孔的軟弱介質，在一定范圍內形成夾層空腔，夾層空腔的內粘聚力和內摩擦角完全喪失，使邊坡巖體的抗滑力被極大削弱；另一方面，在爆腔形成過程中伴隨著爆轟氣體的楔入，上覆巖層(潛在滑體)受到爆轟氣體的壓力作用而產生向上的撓曲變形,導致數十倍炮孔直徑范圍內的巖體與軟弱夾層分離即巖體發生層裂破壞，使該范圍內的粘聚力和內摩擦角減小,坡體抗滑力極大降低,從而容易導致邊坡在爆破過程中形成局部或整體滑動。

因此，研究爆破振動對露天礦邊坡穩定性的影響，優化礦山生產過程的爆破參數，提出露天采場邊坡穩定性的治理方案和整治措施，對露天礦的安全生產具有重要意義。此外，研究爆破振動對其邊坡穩定性的影響對提高爆破質量，加快施工進度，降低爆破和施工成本也有十分重要的作用。

本發明基于模擬爆破振動下工程巖體層裂化失穩過程的落錘沖擊試驗來研究重復爆破沖擊作用下層狀巖體邊坡的破壞過程和應變場的變化。

對比實用新型專利：模擬爆破開挖對邊坡影響的實驗裝置。該專利申請號201820297155.X，申請公布CN?207944494?U。其公開了一種模擬爆破開挖對邊坡影響的試驗裝置,所述試驗裝置包括模擬邊坡模型,模擬邊坡模型在高度方向上具有多個臺階子坡,在模擬邊坡模型的最底部的臺階子坡的臺階面上布設有多個炮孔,每一個炮孔內填裝有炸藥包,每一個炸藥包均通過數碼電子雷管與起爆裝置連接；為模擬邊坡模型還布置有預應力加載試驗裝置和量測裝置。通過該實用新型,可有效監測巖質邊坡時空損傷及位移形變的演化特性與規律,為研究巖質邊坡時空損傷和位移形變演化機理、動力失穩機制及其災變預警方法提供試驗資料。